Тема XIII . Изомерия биоорганических

Соединений

 

Изомерия – это явление существования изомеров – молекул одинакового состава, но различного строения и свойств. Виды изомерии и изомеров в химии многочисленны и разнообразны. Явление изомерии в биоорганической химии чрезвычайно важно, поскольку разные изомеры клеточных метаболитов, лекарственных препаратов и ксенобиотиков имеют разные свойства, разные биологические функции и действие на организм и зачастую очень небольшие структурные различия в молекулах пары изомеров приводят к кардинальным различиям в их биологических свойствах, характере действия на организм, токсичности и т.д.

 

По теме занятия студент должен:

знать:

-  определения: изомерия, таутомерия, хиральный (асимметрический) центр (атом), пара энантиомеров, диастереомеры, конформация, конфигурация (абсолютная и относительная), оптическая активность, виды изомерии (статическая - структурная, пространственная (геометрическая и оптическая), динамическая - конформационная и таутомерия), виды прототропной таутомерии (кето-енольная, лактим-лактамная, кольчато-цепная (цикло-оксо), понятия о D- и L-стереорядах в органических соединениях классов гидрокси- и аминокислот, конфигурационный стандарт Розанова – D-глицериновый альдегид, написание структурных формул этих соединений в форме проекций Фишер;

-  биологическое значение явлений изомерии и таутомерии;

Уметь:

-  различать и составлять структурные формулы геометрических и оптических изомеров (энантиомеры, диастереомеры, D- и L-стереоизомеры в проекциях Фишера) биологически активных органических соединений, представителей рядов карбоновых кислот, гидрокси- и аминокислот;

-  составлять структурные формулы и сравнивать химическую устойчивость лактим-лактамных и кето-енольных таутомерных форм органических соединений между собой.

-  прогнозировать возможные виды изомерии для биоорганических соединений по их структурным формулам;

Владеть:

-  знаниями о значении изомерии и таутомерии биоорганических молекул в решении задач медицины.

 

Вопросы для подготовки

1. Определения понятий: изомерия, изомеры.

2. Виды изомерии (пространственная, структурная), их отличия друг от друга.

3. Разновидности структурной изомерии в ациклических и циклических соединениях: изомерия скелета, положения, характера функциональной группы и др.

4. Равновесная динамическая изомерия – таутомерия. Сущность явления (на примерах кето-енольной и лактим-лактамной таутомерии). Роль СН–кислотного центра в образовании енольной формы.

5. Какие факторы влияют на стабильность таутомерных форм?

6. Пространственная (стерео) изомерия и её виды (геометрическая, оптическая). Понятия: конформация, конфигурация.

7. Связь между составом, строением молекулы и способностью образовывать геометрические изомеры. Сходство и отличие физических и химических свойств изомеров, сравнение устойчивости цис- и транс-форм.

8. Конформации шестичленных циклов – «кресло»,  «ванна».

9. Оптическая изомерия. Хиральный атом углерода. Стереоряды (D, L). Определение стереоряда. Абсолютная и относительная конфикурации. Знак оптического вращения. Оксикислотный ключ Розанова. Определение числа стереоизомеров по количеству хиральных центров N = 2ⁿ.

10. Проекции Э.Фишера. Основные понятия: энантиомер, диастереомер, мезо-форма, рацемическая смесь.

12. Значение пространственной и структурной изомерии в проявлении биологической  активности органических молекул – метаболитов и лекарственных препаратов (примерах фумаровой и малеиновой кислот, D- и L-аминокислот, D- и L-глюкозы, D- и L-молочной кислоты, холестерина).

 

Задачи и упражнения

1. Составьте структурные формулы изомеров состава: C₃H₈O, C₄H₈O, C₄H₈O₂.

2. Напишите структурные формулы соединений в енольной (кето-) форме:

а) ацетон,

б) пировиноградная кислота,

в) щавелевоуксусная кислота (2-оксобутандиовая), сравните устойчивости енольных форм пировиноградной и щавелевоуксусной кислот между собой,

г) ацетоуксусная (3-оксобутановая), сравните устойчивость енольных форм ацетоуксусной кислоты.

3. Запишите структурную формулу макроэргического соединения фосфоенолпировиноградной кислоты.

4. Зная явление лактим-лактамной таутомерии, определите записанную таутомерную форму азотистого основания нуклеиновых кислот цитозина и напишите его вторую таутомерную форму.

5. Какие из перечисленных соединений могут иметь геометрические изомеры: пропеновая кислота, бут-2-ен, бут-1-ен, кротоновая (бут-2-еновая кислота).

6. Изобразите структурные формулы пространственных (геометрических или цис-, транс-) изомеров:бут-2-ена; пент-2-ена; бутендиовых кислот (цис-форма – малеиновая, транс-форма - фумаровая); олеиновой кислоты (18: 1: 9).

7. Изобразите пространственные конформации циклогексановых структур: кресло, ванна и укажите, которая из них присутствует в природных веществах (холестерин, стероидные гормоны, циклические формы моносахаридов).

8. Составьте структурные формулы энантиомеров природных метаболитов в форме проекций Фишера:

а) D- и L-изомеров глицеринового альдегида (2,3-дигидрокси-пропаналь)

б) D- и L-изомеров молочной кислоты (2-гидроксипропановая)

в) D- и L-изомеров аланина (2-аминопропановая кислота)

г) D- и L-изомеров яблочной кислоты (2-гидроксибутандиовая кислота)

д) D- и L-изомеров винной кислоты (2,3-дигидроксибутандиовая кислота)

9. Составьте все возможные оптические изомеры винной кислоты (2,3-дигидроксибутандиовая). Укажите пары: энантиомеры, диастереомеры и мезоформу.

10. Рассчитайте число оптических изомеров у соединения, содержащего 3 хиральных атома углерода (рибоза). Сколько образуется пар энантиомеров? Сколько диастереомеров у каждого изомера?

11. Составьте структурные формулы веществ, обладающих оптической изомерией. Укажите хиральные атомы.

а) бутан-2-он                                б) пропандиовая кислота

в) 2-гидроксибутановая кислота г) бутандиовая кислота

д) 2-амино-3-гидроксибутановая кислота

12. Составьте ещё две возможные таутомерные формы ацетоуксусной кислоты и выберите более устойчивую:

13. Запишите кетоновые формы нижеприведенных соединений:

14. Напишите структурную формулу азотистого основания ДНК тимина в лактимной форме:

15. Напишите реакцию, используйте формулы обоих соединений в лактимной форме:

Тесты

1. Изомеры, относящиеся друг к другу как предмет к своему зеркальному изображению следует называть:

а) диастереомеры                        б) энантиомеры

в) мезо-формы                             г) рацематы

д) цис-, транс-изомеры

2. Для определения абсолютной конфигурации оптически активного соединения предложено вещество в качестве стандарта:

а) молочная кислота            б) глицериновый альдегид

в) пировиноградная кислота г) глицерин

д) винная кислота

3. Если стереоизомеры не являются энантиомерами, то их называют:

а) диастереомеры                        б) эпимеры

в) мезо-формы                             г) рацематы

д) цис-, транс-изомеры

4. Рацемическая смесь – это смесь:

а) равных количеств диастереомеров

б) равных количеств энантиомеров

в) любых количеств энантиомеров

г) любых количеств диастереомеров

д) нет верного определения